關鍵詞：智能儀器儀表ISP EMIT Internet

　　1 引言

　　近年來，隨著通訊技術．網絡技術和半導體技術的飛速發展，智能儀器儀表系統的設計步入了嶄新的時代。其中，實現Intenet接入是當前智能儀器儀表系統發展的熱點領域和重要方向。

　　ISP(In SystemProgrammability)在系統可編程技術對于實現智能儀器儀表系統基于TCP／IP協議的Internet接入具有重要的意義。所謂“在系統可編程”是指對器件、電路甚至整個系統進行現場升級和功能重構的能力。這種重構可以在實驗開發過程中，制造過程中甚至是在交付用戶使用之后在現場或通過Internet進行。

　　利用ISP技術，能夠使得儀器儀表的硬件系統不再是純粹的固定結構，而是具備某些軟件特性的靈活結構，甚至可以在運行狀態下根據需要重新配置功能。由于模擬集成芯片制造工藝的復雜性，當前ISP技術主要應用在數字系統設計中，如美國Xilinx公司的FPGA／CPLD等均支持ISP技術。1999年末，美國Lattice公司率先在制造工藝上取得突破，推出了ispPAC(InSystem Pro．grammable Analog ICs)，將ISP技術引入到了模擬系統中，給智能儀器儀表系統的沒計帶來了**性的變化。

　　結合ISP技術通過Internet將智能儀器儀表系統接入Internet，就可以方便地實現對儀器儀表的遠程監視、控制、維護、升級和工業自動化。

　　2 儀器儀表系統基于ISP技術的設計思想

　　通過充分利用當前*先進的ISP技術，我們所設計的智能儀器儀表系統不僅要具備系統級現場可編程的能力，而且能夠通過Intemet實現基于TCP／IP協議的系統功能遠程動態重構、現場升級和通訊互訪。

　　一般來說，智能儀器儀表系統大都可劃分為3個模塊：CPU、模擬系統和數字邏輯系統等。這里，我們結合。AnalogDevice公司*新推出的具有模擬功能的ADuC2812MCU，Philips率先在業界推出的支持Internet接入的16位MCU，Lattice公司*新推出的ispPAC和Xilinx公司的FPGA／CPLD來具體討論實現ISP和Internet接入的智能儀器儀表系統的設計。

　　3儀器儀表系統的CPU與ISP技術

　　CPU是智能儀器儀表系統的靈魂。智能儀器儀表系統的整體性能很大程度上取決于CPU的先進性和靈活性。

　　隨著半導體技術的發展，陸續出現了不少增強型的CPU。由于CPU的ISP技術對于實現系統網絡化和遠程監控具有決定性的意義，同時由于8位MCU在當前智能儀器儀表系統中應用的廣泛性，我們主要結合支持ISP技術的AnalogDevice公司的8位Mcu(ADuC812)來討論ISP技術的應用。

　　3．1  ADuC812的結構和性能

　　AnalogDevice公司的ADuC812由與8051兼容的內核、存儲器．片內外圍設備、電源單元和模擬單元等部分構成。與805l兼容的內核額定上作頻率為12MHz(*大16MHz)，3個16位定時器／計數器，功能包括看門狗定時器WDT、電源監視器PSM以及高速ADC。至RAM捕獲DMA控制器。片內有8K字的閃速／電擦除程序存儲器，640字的閃速／電擦除數據存儲器和256字節片內數據RAM．支持16M字節外部數據尋址空間和64K字節外部程序尋址空間，為多處理器接口和I／O擴展提供了32條可編程的I／O總線，端口3有高電流驅動能力，同時具有標準的UART串行端口和可配置的12C或SPI接口。

　　模擬單元包括8通道、高速(200KSPS)自校準12位ADC、片內40PPM／℃的電壓基準、兩個12位電壓輸出DAC和片內溫度傳感器等?？伸`活地構建功能強人的12位數據采集系統。

　　MCU內核和模擬轉換器二者均有正常、空閑和掉電工作模式，提供了適合于低功耗應用的靈活的電源管理方案。

　　3．2 ADuC812的ISP在系統編程

　　ADuC812通過標準UART串行接口實現程序代碼的下載(在系統編程)，用戶在ADuC812串行下載模式下可以將程序代碼通過Pc機的串口下載到芯片程序存儲器中。

　　在ADuC812之后，AnalogDevice公司又推出了支持ISP技術的16位和24位精度的模擬McuADuC816及ADuC824等系列產品。

　　4 模擬系統的設計與lSP技術

　　在Lattlce公司1999年末率先推出高性能的系統可編程模擬電路ispPAC之前，模擬系統的設計往往需要用大量標準分離器件來搭建。ispPAC的出現，使得高集成度的**模擬設計現在能夠通過一小塊單片ispPA芯片來實現，從根本上簡化和加速了模擬電路的設計、集成和配置，避免了采用傳統的ASIC芯片時的成本高、設計周期長的缺點，給傳統的模擬系統開發帶來了**性的變化，其性能類似于數字系統中的FPGA。

　　目前ispPAC系列產品包括ispPAC10、ispPAC20和ispPAC80等3種。

　　下面結合ispPAC來討論ISP技術在模擬系統設計中的應用。

　　4．1  ispPAC：的體系結構

　　利用ISP技術，Lattice公司的ispPAC產品支持3維可編程能力：ProgrammableFunctions(Amplification．Conversion，Filtering)，Programmablecharactefistics(Gain，Bandwidth，Offset，Thresholds)和ProgrammableInterconnect(ReconfigumbleArchitectures)。即除了芯片內部物理級的互連線可編程外，其內每一個單元(Cell)的功能和特性都是可編程的。從而芯片在保持印刷電路板上的焊接狀態不變的情況下，就可以很容易地實現對芯片的快速編程、擦除和模擬電路功能及特性的重新配置。

　　ispPAC器件的基本功能單元是具有特殊結構的PACell，如儀器放大器、運算放大器，濾波器等模擬電路單元，由若干PACell組成模擬功能模塊PACblocks，整個芯片由若干個PACblocks構成。不需要電阻、電容等外圍部件，就可以實現諸如PrecisionFiltering、Summing／Differencing、Gain／Attenuation和COnversion等基基本模擬功能，同時還可以將這些基本模擬功能進行靈活的組合配置，設計出更復雜的模擬系統。

　　如利用ispPAC80，用戶可以在幾秒鐘內在一小片Ic上配置出數萬種不同的五階精度濾波器。

　　4．2 ispPAC的開發環境和1SP在系統編程

　　lattice公司ispPAC開發系統PAC－Desiger軟件為沒計者提供了圖形風格的用戶界面，軟件提供了模擬庫和電路宏生成器，并內置了模擬和驗證工具，可以在對芯片編程前對所設計的模擬電路進行仿真，生成各種曲線報告，因而大大簡化了設計實驗，節省了開發時間。

　　ispPAC通過Lattice公司的ispDONWlOADcable下載電纜實現ISP在系統編程，瞬間即可完成器件的重配置和重編程。

　　5 數字邏輯系統的設計與ISP技術

　　數字邏輯系統設計的變革是從1984年Xilinx公司發明現場可編程門陣列(FPGA)開始的，90年代Latttice公司又發明了復雜在系統可編程邏輯器件(CPLD)。

　　目前，FPGA／CPLD能夠實現從幾千門的接口邏輯電路到數百萬門的龐大數字邏輯系統的設計，結合IP(IntellectualProperty)Core(如USB Core，PCI Core和DSPcore等)和功能強大的EDA軟件可以構建出非常復雜的數字電子系統。

　　xc9500系列是Xilinx公司采用**的FastfLASH技術制造的CPLD產品，*高可完成l萬門的數字邏輯系統的設汁，目前有5V、3.3V和2.5V 3個版本工作電壓，具有特殊的系統內編程(ISP)能力，編程／擦除的次數較其他公司的CPLD高l至2個數量級。XC9500系列器件通過標準的4腳JTAG協議實現在系統內編程，它的擴展IEEE—1149.1邊界掃描指令集允許器件編程模式擴展和實現系統內診斷。

　　利用Xilinx公司提供的Foundation2．1iFPGA／CPLD開發系統和Xchecker串行編程電纜可方便地實現數字邏輯系統的開發和ISP在系統編程。

　　LD和嵌入式微控制器(如8051)結合使用可以更靈活地實現ISP在系統編程。

　　FPGA／CPLD技術，發展異常迅速，Xilinx公司在2000年初推出了成熟的ChipScopeILA(IntegratedLoldieAnalysis)技術，把邏輯分析儀的功能集成在了FPGA芯片內，大大簡化了數字邏輯系統的調試工作，還將逐漸將A／D和D／A等集成在單片FPGA／CPLD內。隨著IPCORE和VHDI。硬件描述語言等的使用，數字邏輯系統的設計思想和方法也發生了**性的變化。

　　6結合ISP和EMIT技術實現儀器儀表系統的Internet接入
伴隨著網絡技術的飛速發展，Intemet技術正在逐漸向工業控制和智能儀器儀表系統設計領域滲透。實現智能儀器儀表系統基于Intemet的通訊能力以及對設計好的智能儀器儀表系統進行遠程升級，功能重置和系統維護，是硬件設計的發展方向。

　　6 .1  EMlT技術與智能儀器儀表系統的Internet接入

　　emWare公司創立了ETI(eXtend TheInternet)擴展Internet聯盟，井提出了EMIT嵌入式微型英特網互連技術，它是一種將單片機等嵌入式設備接入Internet的技術，利用該技術，能夠將8位和16位單片機系統接入Internet，實現基于Internet的遠程數據采集、智能控制、上傳／下載數據文件等功能。

　　EMIT技術包括以下核心技術：

　　emMicro：是駐留在嵌入式系統中的微型網絡服務器。emMicro集成到嵌入式系統中，使得網絡上的客戶機能夠控制和監視嵌入式系統以及從中收集數據。emMicro針對微控制器有限的資源進行了優化，只占用系統很小的內存(1K字節)資源和處理器資源。

　　emNet：是使嵌入式系統和輕量級網絡(如RS-485、IR、RF和電力線等)進行連接的網絡協議。同時，emNet使得集成emMicro的嵌入式系統能夠和嵌入式微控制器網關emGateway進行有效的通訊。

　　emGateway(嵌入式微控制器網關)：是輕型設備網絡如RS-232、RS-485，cAN、IIc、xlO、RF等和大型高性能網絡如Intranet和Internet等之間連接的橋梁。它是一個功能強大的客戶機，用于管理多個嵌入式系統、標準的Internet通信互連以及支持網絡瀏覽器。

　　鑒于當前的智能儀器儀表系統大多都是基于8位或16位Mcu的，而EMIT僅占用系統1kByte的存儲資源，因而該項技術不管是對于老儀器儀表系統的改造，還是構建新的儀器儀表系統都具有很強的現實意義和發展前景。目前已有眾多軟硬件廠商加入ETI聯盟，大大推動了EMIT技術的發展。

　　6．2融合ISP和EMIT技術的MCu和Internet外圍芯片

　　目前，美國connectone公司、emWare公司、TAS．KING公司和國內的P&S公司等均提供基于Internet的Device-Networking的軟件、固件(Firmware)和硬件產品.

　　應用內編程(ISP／IAP)，能讓設計者在應用程序運行過程中改變代碼。將XA-G49和ConnectOne公司的ichip561AD-s／PInternet外圍芯片結合在一起，就可以實現通過Internet遠程升級固件和重構系統。

　　Philips公司目前推出的支持Internet連接的Mcu還有89C5lRx2系列51LPc系列(包括87LPC762、87LPC764和87LPc767等)等。

　　ConnectOne公司的iChip(iChip561ADS／P)、iM－odem(iModem50—204x－02)和．P&S公司的WebChiP都是基于EMIT技術，實現嵌入式系統InteRN接入的MCU／MPU外圍芯片。

　　6．3利用Intemet技術實現硬件功能遠程動態重構的FPGA／CPLD

　　Xilinx公司和GoAhead軟件公司合作，率先實現了XilinxFPGA／CPLD在裝配到現場后，可以通過Internet對其進行遠程更新和動態重構。利用GoAhead公司的FieldUpgrader技術和Xilinx公司的IRL(IntemetRecon．figurableLogic)Internet在系統邏輯重配置技術，Xilinx公司FPGA／CPLD的配置文件能夠通過Internet、Intranet或VPN(VirtualPrivate Network)自動地下載到現場的FPGA／CPLD系統，實現動態功能重構和升級維護。

　　GoAhead的解決方案包括3個部分：GoAheadDevice StudioTM、GoAhead Upgrade AgentTM和GoAhead UpgradeServer。

　　GoAhead DeviceStudio是用于配置GoAhead Upgrade Agent 的開發環境，配置完畢后，GoAhead UpgradeAgent就嵌入在了目標器件(如Xilinx的FPGA／CPLD)中，GoAhead Upgrade Server安裝在監控中心的服務器上，用于創造和發布系統功能重構的更新文件。

　　就當前的技術發展狀況來看，數字系統(CPU、FPGA／CPLD等)已基本上可實現器件級Internet接入以及基于Internet的遠程硬件功能重構和系統升級。但模擬系統，如Lattice公司*近推出的ispPAC系列產品則剛剛具有ISP在系統可編程反復重配置能力，尚不具備Internet遠程聯網能力，相信不久的將來，即可在該領域實現**性的突破，從而真正實現整個智能儀器儀表系統基于Internet的器件級遠程監控、維護和通訊。

　　隨著半導體技術、網絡技術、通訊技術和軟件技術的飛速發展，智能儀器儀表系統的設計思想和方法發生了**性的變化，很多因素如IPCore和基于Internet的EDA(如xilinx的基于www的WEBPACKCPLD開發系統)等的飛速發展正促使以Internet為中心的智能儀器儀表的設計和運行環境加速形成。ISP和EMIT技術正是推動和促進這一變化的基礎，它們的實現為IST(InternetSensor Technology網絡傳感器技術)．HVAC(家庭環境自動控制)、IA(InformationAppliance信息家電)、環境自動監測、智能小區管理、網絡化交通監管等的Internet化提供了技術保證。

參考文獻

1  Xilinx In—SystemProgramming Using an EmbeddedMicrocontroller．America：Xilinx．Inc，1999．6

2  ispPAC 1 0／20／80In-System Programmable Analog Circuit．America：Lattice SemiconductorCorporation，1999．11

3  Micro ConverterMultichannel 12-Bit ADC with Embedded FLASH MCUADuC812．America：Analog  Device lnc．，1999. 5

4 呂京建，肖海橋．單片機世界．北京：中國單片機公共實驗室(BOL)，1999．4

5 楊暉，張風言．大規?？删幊踢壿嬈骷c數字系統設計.北京：北京航空航天大學出版社，1999．1